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FRITSCH飞驰球磨 | 一种定制高性能电池硅负极材料的新方案

更新时间:2024-03-11     阅读次数:293


以硅(Si)作为锂离子电池中的负极组件,具备明显的性能优势。与当前主要的石墨负极材料相比,硅基负极理论比容量高,高达4200mAh/g,是石墨负极的10倍左右;另外,硅基负极安全性能更佳,其具有较低的脱嵌锂电位,在充电时可避免表面的析锂现象,能够减小电池短路带来的风险。

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硅基锂离子电池充电、放电原理图

通过使用FRITSCH飞驰球磨设备,能够实现通过各种硅颗粒的几何形状快速成型,生产新一代高容量硅基锂离子电池。

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 实验设备与方案 

1、实验设备:

本实验使用了FRITSCH行星式球磨机PULVERISETTE 5加强型行星式球磨机PULVERISETTE 7加强型

研磨细度:纳米级

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2、工作原理:

FRITSCH行星式球磨机主要通过研磨球的高能量撞击进行粉碎。

在实验过程中,研磨罐中装有样品与研磨球,并在与其旋转方向相反的主盘上沿着自身轴进行旋转,叠加的离心力使样品和研磨球在研磨罐内壁反弹,在此状态下,研磨球将以Ji高的速度砸向研磨罐壁对角方向上的样品,从而实现样品的粉碎。

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实验室通过控制转速、研磨球的材料/尺寸、研磨罐的材料/尺寸以及工艺的时间配置,制定出了用于调节硅颗粒几何形状的方案,从而为锂离子电池提供高容量、稳定性长周期寿命的硅基负极材料。
3、实验方案:
配置/方案
方案一
方案二
研磨球
3-20mm ZrO2研磨球
研磨罐
ZrO2(内衬)不锈钢研磨罐
分散剂
干法(氩气)
转速
900rpm
500rpm
研磨时间
1h
3h
(每1h休息一次)



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 实验结果与分析 

 ① 球磨条件对输入总能量的影响  

传统意义上,球磨工艺通常用于减少颗粒的尺寸,但是在本次实验中,能够利用球磨过程中的冷焊现象,来增加硅粉颗粒的尺寸。

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在实验的最初阶段,硅粉中主要颗粒的直径在10-100nm之间,如图A所示;
在900rpm的转速下研磨1h,能够得到微米级、棱角分明的直边状颗粒,如图B所示;
采用较低转速(500rpm)并将累计研磨时间增加至3h,通过进一步利用冷焊现象,不仅可以增加颗粒尺寸,而且可以改变颗粒形状,图C所示即为利用冷焊现象得到的更大尺寸的微米级椭圆状颗粒。
因此,通过细致地调节转速、累计研磨时间与休息时间,就可以控制颗粒的形状、尺寸和孔隙度

之所以能够实现这样的控制,是因为在球磨进行的过程中,不同球磨条件下的总能量输入状态存在差异。较低的转速(500rpm)能够产生较低的能量,而高转速(900rpm)会产生更高的能量,因此,设置较高的转速条件,会使粒径较大的硅颗粒断裂,因而形成直边形态。

 实验结果与分析 

 ② 球磨条件对颗粒比表面积的影响  

对于锂离子电池负极材料的优化,负极表面积也是非常关键的参数,其能够影响电池的容量与稳定性。

理论上,高比表面积有益于电池电容的Zui大化,但是,低比表面积却能够使消耗锂的固体电解质界面(SEI)层总体积最小化;因此,为了优化负极材料的形状和孔隙度,该参数的控制需要满足一定的平衡。

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通过球磨,实现了对颗粒孔隙度和比表面积的控制,如上图中的Brunauer-Emmet-Teller(BET)测量值所示。
未加工硅粉的比表面积测量值约为194.6m²g-¹(黑色方块所示);
在500rpm间断研磨处理后,得到椭圆状(绿色三角形所示,BET=10.2m² g-¹)颗粒,在连续未间断的研磨后,得到直边状(蓝色菱形所示,BET=10.5m² g-¹)颗粒;
在900rpm研磨后,得到棱角分明的直边状(红色圆形所示)颗粒,比表面积为10.8m² g-¹。

综上所述,球磨方法在调控硅负极材料的粒径、形态与BET比表面积方面的效果得到了证实。通过实验可以得知,设置较低的球磨转速能够使颗粒球化,这对于电池的倍率性能是有益的。另外,通过进一步降低BET表面积,还可以提高硅基负极电池的First库仑效率与循环寿命。

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 FRITSCH行星式球磨机加强型 

  应用优势  

FRITSCH行星式球磨机加强型不仅可以处理电池材料,也可用于陶瓷复合材料、石墨烯、纳米药物、机械合金化等多种途径,有着Ji高的性能、易用性和安全性。
产品具备超高转速,通过研磨球在旋转的研磨罐内产生的高能冲击力,可实现硬性、中等硬度、柔软、脆性和湿性样品的超细湿磨和干磨。

在惰气环境中研磨

加强型产品的充气盖配件可以为研磨体系提供一个稳定的惰性气体环境,为机械合金化以及高活性样品的研磨提供气氛保护。

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Easy GTM

通过连续测量研磨罐内的气体压力和温度,轻松安全地监测和分析热效应、物理和化学反应或压力变动。球磨机自动控制测量,以确保不超过设定的参数。

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简易定位,安全锁紧
PULVERISETTE 5加强型—ServoLOCK
PULVERISETTE 7加强型—SelfLOCK

研磨罐安全嵌入,简化实验操作,并使实验人员与仪器都获得了最佳的保护。

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可调节触摸屏

仅需单手操作便可轻松完成所有设定。可在触摸屏上输入所需的转速和研磨时间,通过分秒计时器设定间隔时间和暂停时间,可存储10个运行程序。

RFID智能检测

RFID芯片中保存有研磨罐的准确参数信息,当研磨罐嵌入到球磨机内,控制系统会检测该Zhi定的研磨罐,预防不合理的研磨设置、避免误操作。


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联系人:杨经理

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